第二章 数字传输原理(张)

1、 通信系统通信系统 概论概论 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理 通信工程系 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理 2.1 数字通信系统概述 2.2 模拟信号数字化 2.3 时分复用技术 2.4 差错控制编码 2.5 数字信号的基带传输 2.6 数字信号的频带传输 2.7 数字系统同步技术 数字通信系统模型如图2-1所示。 图2-1 数字通信系统模型 2.1 数字通信系统概述 2.1 数字通信系统概述 F信源：信源：完成非电信号非电信号/电信号电信号的变换，这里产生的电 信号是模拟信号。 F信源编码器信源编码器：一是将信源发出的模拟信号变换为数字 信号，称为数字信源码（模数变换模数变换）

2、；二是实现压缩压缩 编码编码，使数字信源码占用的信道带宽尽量小。 F信道编码器：信道编码器：主要完成两个功能：一是码型变换码型变换，把 数字信源码变换为数字信道码；二是差错控制差错控制。 F调制器：调制器：其作用是频谱搬移频谱搬移，将信号的频谱搬移到 所希望的位置上，从而将调制信号转换成适合于信 道传输的已调信号。 F信道：信道：信号的传输媒质。一般可分为： F有线信道有线信道和无线信道无线信道 F恒参信道恒参信道和随参信道随参信道 2.1 数字通信系统概述 F解调器、信道译码器和信源译码器解调器、信道译码器和信源译码器：基本功能是完 成发端的反变换，它们的任务是从带有干扰的信号 中正确恢复出

3、原始信息。 2.1 数字通信系统概述 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理 2.1 数字通信系统概述 2.2 模拟信号数字化 2.3 时分复用技术 2.4 差错控制编码 2.5 数字信号的基带传输 2.6 数字信号的频带传输 2.7 数字系统同步技术 2.2 模拟信号数字化 图2-2 模拟信号的数字传输系统模型 模拟信 息源 信宿 数字通 信系统 m(t) 模拟随机信号 sk 数字随机序列 A/DD/A k s ( ) k m t A/D： D/A： 抽样量化编码m(t)sk 译码低通滤波 mk(t)sk 2.2 模拟信号数字化 图2-3 A/D和D/A变换 2.2.1 A/D变换变换 实现

4、A/D变换的方法很多，这里主要介绍 应用最普遍的脉冲编码调制（脉冲编码调制（PCM）。 F抽样-时间域数字化 F量化-幅度域数字化 F编码-提升质量 2.2 模拟信号数字化 1、抽样、抽样 语音信号是模拟信号，它不仅在幅度取值上是连 续的，而且在时间轴上也是连续的，要使语音信号数 字化并实现时分多路复用，首先要在时间上对语音信要在时间上对语音信 号进行离散化处理号进行离散化处理，这一过程叫抽样。 抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续抽样是把连续时间模拟信号转换成离散时间连续 幅度的抽样信号。幅度的抽样信号。 2.2 模拟信号数字化 2.2 模拟信号数字化 抽样过程的实现原理：抽样过程的实

5、现原理： fs(t)=f(t)p(t) f(t)fs(t) p(t) 1、抽样、抽样 抽样实现：每隔一定 的时间间隔时间间隔Ts，抽取语音 信号的一个瞬时幅度值 （抽样值）来代替原来的 连续信号进行传输。 抽样后所得的一系列 在时间上离散的抽样值称 为样值序列样值序列。 2.2 模拟信号数字化 图2-4 抽样后的波形 F时间离散化； FTs如何选取，保证信号的不失真？ F抽样定理抽样定理：对于低通型（0,fm）信号，只要抽样 频率fs（fs=1/Ts）满足 2 sm ff 则可以从样值序列不失真地恢复出原来的模拟 信号。其中fm为信号的最高频率。 2.2 模拟信号数字化 2.2 模拟信号数字化

6、 冲激抽样信号的频谱： 图2-5 冲激抽样信号的频谱 最低允许的采样 频率fs=2fm称为奈 奎斯特(Nyquist)频 率。 最大允许的采样 间隔Ts=1/(2fm)称 为奈奎斯特间隔。 抽样定理全过程 如右图所示： 2.2 模拟信号数字化 图2-6 抽样定理全过程 2、量化、量化 样值序列在时间上是离散的，但它的幅度取值 在信号幅度的变化范围内（通常称动态范围）可以 取任意值。因此，幅度的取值仍是连续的（有无限 多个取值）。 所谓量化所谓量化：就是将幅度取值为无穷多个的样值 序列，变换为幅度取值为有限个的样值序列。（幅幅 度离散化度离散化） 2.2 模拟信号数字化 2、量化、量化 F实现量

7、化的方法：把信号变化的动态范围划分为有 限个区间，只要信号落在某个区间，就取该区间内 预先规定的某个参考电平（比如量化区间的中间值） 作为信号值。 量化区间在专业术语上称为量化级； 量化级中间的电平称为量化电平； 2.2 模拟信号数字化 图2-7 量化过程示意图 2.2 模拟信号数字化 2.2 模拟信号数字化 量化噪声 由于量阶的有限性，在量化过程中就不可避免地会造 成实际信号值与量化信号值之间的误差。这种由于量 阶的有限性造成的误差被称为量化误差，记为e(t)。 由量化误差产生的噪声叫量化噪声。 性能衡量：信号平均功率与量化噪声平均功率之比为 量化信噪比。 2、量化、量化 根据各量化级大小是

8、否相等，量化分为：均匀量化均匀量化和非非 均匀量化均匀量化。 （1）均匀量化 把输入信号的取值域按等距离分割的量化称为均匀量化。 均匀量化亦称线性量化。 在均匀量化中，每个量化区间的量化电平均取在各区间的 中点。 设输入信号的幅度范围是ab，量化级数为M，则量化间 隔为： v=(b-a)/M 2.2 模拟信号数字化 2.2 模拟信号数字化 由此可见： 当量化电平分别取各层的中间值时，量化过程所形成的量 化误差不超过v2。 量化误差与实际输入的样值有关，样值越小，信噪比越小 ；反之，样值越大，信噪比越大。 均匀量化存在的问题：信号动态范围受限信号动态范围受限（小信号信噪比 低，大信号信噪比高）。

9、 2.2 模拟信号数字化 语音信号的幅度概率分布： 解决方法： （1）M增大，n增大，一路信号的数码率提高； （2）采用“非均匀量化非均匀量化”。 图2-8 语音信号的幅度概率分布 2、量化、量化 （2）非均匀量化 每个量化级大小不相等；信号小时，量化级小； 而信号大时，量化级大。 较均匀量化的优点是： 量化噪声功率基本与信号抽样值成比例，因此量化 噪声对大、小信号的影响大致相同，即改善了小信号 的信号量噪比。 2.2 模拟信号数字化 2、量化、量化 （2）非均匀量化 非均匀量化的实现方法通常是采用压缩、扩张的方 法，即在发送端对输入信号先进行压缩处理，再进行压缩处理，再进行 均匀量化；均匀量

10、化；在接收端进行相反的扩张处理。 2.2 模拟信号数字化 先将采样信号进行压缩，而后再进行均匀量化。其 效果就相当于对信号进行非均匀量化。 压缩电路是一个非线性放大器，它对大信号的放大 倍数小，而对小信号的放大倍数大，从而使大信号 受到压缩。即：y=f (x) 扩张电路的作用正好与压缩相反。即：x=f-1 (y) 常采用“对数压缩”。 2.2 模拟信号数字化 图2-9 压扩特性曲线图 2.2 模拟信号数字化 2、量化、量化 （2）非均匀量化 国际上有两种标准化的非均匀量化特性： A律律13折线压缩特性（中国和欧洲）折线压缩特性（中国和欧洲） 律15折线压缩特性（美国） 2.2 模拟信号数字化

11、13折线的取得：折线的取得： 先对x轴上的输入信号归一化取值范围，按12 递减规律分为8段，分段点依次为12、14、 18、116、132、164、1128，再 把y轴上压缩输出的归一化取值范围均匀地分成 8段，即每段长为18，然后把x轴和y轴的相应 分段线的交点连接起来得到。 2.2 模拟信号数字化 A律律13折线压缩特性折线压缩特性 图2-10 A律13折线压缩特性 13折线及与折线及与A律压缩特性的比较：律压缩特性的比较： 段落 1 2 3 4 5 6 7 8 斜率 16 16 8 4 2 1 1/2 1/4 x 0 1/128 1/64 1/32 1/16 1/8 1/4 1/2 1

12、y 13折线 0 1/8 2/8 3/8 4/8 5/8 6/8 7/8 1 y A/87.6 0 1/8 210 876 321 876 432 876 543 876 654 876 765 876 1 2.2 模拟信号数字化 13折线的量化方案折线的量化方案 对x轴上的8段，每段再均匀分为16个，共128个量化间 隔; 各段的量化间隔互不相同，分别用1、2、8表 示。对y轴上的8段，各段再分成16层，共被均匀分为 128层，分别与x轴上的128个量化间隔相对应。这样就 相当于对输入信号进行不均匀量化，即小信号时量阶小 ，大信号时量阶大。 最小量阶1=1/(12816)=1/2048; 最

13、大量阶 8=1/(216)=1/32=641。 2.2 模拟信号数字化 3、编码、编码 所谓编码就是将量化后的信号电平转换成二进 制码组的过程；在接收端实施相反的过程称为译码。 采用二进制编码，则编码所需的位数取决于量化 级数的大小。 量化级数越多，量化误差越小，但所需的编码位 数越多。 2.2 模拟信号数字化 3、编码、编码 A律13折线编码的实现：由于正负极性信号共有 1616=256个量化级，每个量化值需编成8位（ 28=256）二进制码组。 8位二进制代码的256种组合与256种不同的量化电 平一一对应。 2.2 模拟信号数字化 2.2.2 PCM通信系统方框图 模拟信号经过抽样、量化

14、、编码抽样、量化、编码完成A/D 变换，这样 的系统称为PCM（脉冲编码调制）系统）系统。 抽样量化编码 m(t) A/D 译码低通滤波 msq(t) D/A 信道 msq(t) m(t) ms(t) 干扰 2.2 模拟信号数字化 图2-11 PCM原理图 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理 2.1 数字通信系统概述 2.2 模拟信号数字化 2.3 时分复用技术 2.4 差错控制编码 2.5 数字信号的基带传输 2.6 数字信号的频带传输 2.7 数字系统同步技术 2.3.1 时分复用（TDM）的概念 在数字通信中，一般采用时分复用（Time-Division Multiplexing，T

15、DM）技术来提高信道的传输效率。 所谓“复用”是多路信号（语音、数据和图像等信号） 利用同一个信道进行独立的传输。如利用同一根同轴电缆 传输1920路电话，且各路电话之间的传送是相互独立的， 互不干扰。 2.3 时分复用技术 2.3.1 时分复用（TDM）的概念 F时分复用（TDM）：抽样后的样值序列在时间 上离散，即两个样点信号在时间上有间隔，可以 利用这一时间间隔传送其他语音信号的样点信号， 这就称为“时分复用”。 F对于语音信号而言，两相邻样值之间的时间间 隔是125s（1/8KHz），称为“一帧”。 2.3 时分复用技术 2.3.2 PCM 30/32系统帧结构 采用TDM制的数字通信

16、系统，在国际上已逐 步建立其标准。典型的时分多路复用设备是PCM 30/32系统（基群）。 PCM 30/32的帧结构如下图所示。 2.3 时分复用技术 图2-12 PCM 30/32系统帧结构 F时隙：将一帧的时间均匀分为32个等分，每一等分称为一个 时隙，传送一路语音信号的8位二进制编码； F32个时隙依次表示为 ； 其中： 为话路时隙，共30个话路； 传送帧同步信号； 传送信令信号； F由16帧（编号为 ）组成一个复帧。 31210 .,TSTSTSTS 3117151 ,TSTSTSTS 0 TS 16 TS 15210 .,FFFF 2.3 时分复用技术 sKbf sMb bitHz

17、f msTT nsT sTT sfT Hzf p cp s ccp sc ss s /6488000: /048.2 /8328000 216 4888/ 9 .332/ 125/1 8000 一路话路速率 路路系统传码率： 复帧长： 脉冲宽度： 每一时隙长： 每一帧长： 每路信号抽样速率： 2.3 时分复用技术 2.3 时分复用技术时分复用技术 2.3.3 数字复接系列 PCM30/32系统采用的是时分复用技术，将30路语音 信号复接成速率为2.048Mbit/s的群路信号，称为基群或基群或 一次群一次群。 为了提高传输效率，再把一次群信号采用同步或准同步 数字复接（Digital Mult

18、iplexer）技术，复接成更高速率 的数字信号。 数字复接系列按传输速率不同，分别称为基群、二次基群、二次 群、三次群、四次群群、三次群、四次群等（我国分别称为E1、E2、E3、E4 ，其速率为2Mbit/s、8Mbit/s、32Mbit/s、140Mbit/s。 图2-13 PDH中分插支路信号的过程 2.3 时分复用技术时分复用技术 2.3.3 数字复接系列 F常用的复接方法有两种： 同步复接：是用一个高稳定的主时钟来控制被复接的几个 低次群信号，使这几个低次群的码速统一在主时钟的频率 上，达到同频、同相，即不仅低次群信号速率相同，而且 码元边缘对齐。 异步复接：各低次群使用各自的时钟，

19、因此各低次群的码 速率不同。 2.3 时分复用技术时分复用技术 F常用的复接方法有两种： 同步复接的实现过程-一个并/串变换过程 4个低速支路码流各自进入缓存器，开关SA在一个支路码 元的时间间隔（T）内，分别与4个支路相接，取出每个 支路的一个码元，每个支路的一个码元仅持续T/4的时长 ，如此反复。 同步复接的缺点： 一旦主时钟发生故障，相关的通信系统全部中断； 2.3 时分复用技术时分复用技术 F常用的复接方法有两种： 异步复接的特点 由于各自码速不同，应先进行码速调整，使各低次群码速 达到一致，然后再进行同步复接。 2.3 时分复用技术时分复用技术 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理

20、 2.1 数字通信系统概述 2.2 模拟信号数字化 2.3 时分复用技术 2.4 差错控制编码 2.5 数字信号的基带传输 2.6 数字信号的频带传输 2.7 数字系统同步技术 2.4 差错控制编码差错控制编码 信息编码：信息编码： F信源编码信源编码：在分析信源统计特性的基础上，设法通过信 源的压缩编码压缩编码去掉这些统计多余成分。（去除冗余，提 高有效性） F信道编码信道编码：目的是为了改善数字通信系统的传输质量， 就是构造出以最小多余度代价换取最大抗干扰性能的“ 好码”。（添加冗余，提高可靠性） 2.4 差错控制编码差错控制编码 2.4.1 信道分类 按照加性干扰引起的错码分布规律错码分

21、布规律的不 同，信道分为以下三类： F 随机信道 F 突发信道 F 混合信道 2.4 差错控制编码差错控制编码 2.4.1 信道分类 1、随机信道（无记忆信道） 由随机噪声引起； 差错的出现随机，且错码之间是统计独立的； 例如由正态分布白噪声引起的错码； 2、突发信道（有记忆信道） 因脉冲噪声、信道中的衰落现象引起； 差错在短时间成串出现，而在其间又存在较长的无差 错区间，且差错之间相关； 3、混合信道 既存在随机错码，又存在突发错码； 结论：对于不同类型的信道，应采用不同的差 错控制技术。 2.4 差错控制编码差错控制编码 例、设发送数据序列为： 00000000001111111111 n

22、接收数据序列为：01101001001111001001 n则差错序列为： 01101001000000110110 n错误图样（差错序列）：发送数据序列与接收序列对 应码位的模和。 可见： n发生了两个长度分别为和的突发差错，其错误图样 分别为1101001和11011。 2.4 差错控制编码差错控制编码 2.4.2 差错控制方式 常用的差错控制方式主要有三种： F检错重发法 F前向纠错法 F混合纠错法 2.4 差错控制编码差错控制编码 2.4.2 差错控制方式 1、检错重发法（ARQ） 发送端经编码后发出能够发现错误的码， 接收端按一定规则对收到的码组进行有无错误有无错误 的判别。若发现有

23、错，则通知发送端重发，直 到正确接收为止。 2.4 差错控制编码差错控制编码 ARQ示意图 特点： 具备双向信道； 时延大； 能够发现错误的码 反馈信号 发收 图2-14 检错重发示意图 2.4 差错控制编码差错控制编码 2、前向纠错法（FEC） 发端经编码后发出能够纠正错误的码，接 收端收到码组后，通过译码自动发现并纠正自动发现并纠正传 输中的错误； FEC示意图 可以纠正错误的码 发收 图2-15 前向纠错示意图 2.4 差错控制编码差错控制编码 特点 不需要反馈信道，特别适合只能提供单向信道 的场合； 自动纠错，不要求检错重发，延时小，实时性 好； 编、译码设备复杂，传输效率低； 2.4

24、 差错控制编码差错控制编码 3、混合纠错法 是前向纠错方式和检错重发方式的结合。在这种系统 中发送端不但有纠正错误的能力，而且对超出纠错能力 的错误有检测能力。 在纠错能力内，则纠错； 超出纠错能力，但能检测错误，则通过反馈信道要求发 端重发一遍； 2.4 差错控制编码差错控制编码 可以发现和纠正错误的码 反馈信号 发收 图2-16 混合纠错法示意图 2.4.3 差错控制编码（纠错编码） 1、基本思想 2、信道编码中的几个概念 3、码距与检纠错能力的关系 4、差错控制编码的效果 5、举例说明 2.4 差错控制编码差错控制编码 1、差错控制编码的基本思想 F发送端被传输的信息序列上附加一些监督码

25、元，这些监 督码元与信息码元之间按照某种确定的规则相互关联（ 约束）。 F接收端按照同一规则检查两者间关系，一旦关系遭破坏 ，即可发现错误，乃至根据错误图样纠正错误。 码的检错和纠错能力是用信息量的冗余来换取的。一般说来，添加 的冗余越多，码的检错、纠错能力越强，但信道的传输效率下降也 越多。 差错控制编码原则上以降低信息传输速率为代价，换取信息传输可 靠性提高。 2.4 差错控制编码差错控制编码 举例说明：假如要传送A、B两个消息 F 编码一：编码一： n消息A-“0”；消息B-“1” n若传输中产生错码（“0”错成“1”或“1”错成“0”）收端无 法发现，该编码无检错、纠错能力。 F 编码

26、二：编码二： n消息A-“00”；消息B-“11” n若传输中产生一位错码，则变成“01”或“10”，收端判决为 有错（因“01”“10”为禁用码组），但无法确定错码位置，不 能纠正，该编码具有检出一位错码的能力。 n这表明增加一位冗余码元后码具有检出一位错码的能力。 2.4 差错控制编码差错控制编码 F 编码三：编码三： n消息A-“000”；消息B-“111” n传输中产生一位或两位错码，都将变成禁用码组，收端判决传 输有错。该编码具有检出两位错码的能力。 n在产生一位错码情况下，收端可根据“大数”法则进行正确判 决，能够纠正这一位错码。该编码具有纠正一位错码的能力。 n这表明增加两位冗余

27、码元后码具有检出两位错码及纠正一位错 码的能力。 F 可见可见 n纠错编码之所以具有检错和纠错能力，确实是因为在信息码元 外添加了冗余码元（监督码元）。 2.4 差错控制编码差错控制编码 2、信道编码中的几个概念 码组重量（码重）：码字中非零码元的数目。如 “10011”码字的码重为3。 码组距离（码距或汉明距离）：两个码字中对应码位 上具有不同二进制码元的位数。如两码字“10011”与 “11010”间码距为2。 最小码距：码字集合中任意两码字间的最小距离，记 为d0。 2.4 差错控制编码差错控制编码 3、码距与检纠错能力的关系 F在一个码组中，为检测e个 错码，要求最小码距： C e 1

28、 d0 1 0 ed 2.4 差错控制编码差错控制编码 图2-17 码距与检错能力的关系 3、码距与检纠错能力的关系 F在一个码组中，为纠正t个错码，要求最小码距： 12 0 td t C1 C2 t d0 2.4 差错控制编码差错控制编码 图2-18 码距与纠错能力的关系 3、码距与检纠错能力的关系 F在一个码组中，纠正t个错码，同时检测e（et） 个错码，要求最小码距： 1 0 etd C1C2 t e d0 t 2.4 差错控制编码差错控制编码 图2-19 码距与检纠错能力的关系 4、差错控制编码的效果 假设在随机信道中发送“0”和“1”的错误概率相等，都 等于p，且p1，则， 在码长为

29、n的码组中，恰好发生r个错码的概率为： rrnrr nn p rrn n ppcrP !)!( ! )1 ()( 2.4 差错控制编码差错控制编码 例如：当码长n=7， p=10-3时，则有： 3 7 25 7 38 7 (1)771 0 ( 2 )2 12 .11 0 (3 )3 53 .51 0 Pp Pp Pp 5、举例说明 （1）奇偶监督码 F编码原理（发端）：无论信息位有多少，监督位只有一位 ，使码组中“1”的个数为偶数或奇数。即满足下列关系式 ： F译码原理（收端）：接收到的码组按上式模2加，若结果 为0，则无错，否则，有错。 2.4 差错控制编码差错控制编码 120 0 0 nn

30、 aaa a 式中， 为监督位，其他为信息位； F特点： 只能检测出奇数个错误，不能纠错。 主要应用于以随机错误为主的计算机通信系统 ，难于对付突发错误。 传码效率：R=(n-1)/n。 2.4 差错控制编码差错控制编码 5、举例说明 （2）恒比码 每个码组中含“1”和“0”的个数的比例恒定，又称等 重码。 F典型应用 国际无线电报通信，广泛采用“7中取3”恒比码，即码组 中总有3个1。 我国电传机广泛采用5单位数字保护电码。一个汉字用4个 阿拉伯数字表示，每个数字用“5中取3”恒比码构成。 2.4 差错控制编码差错控制编码 F检测能力 能检测出所有单个和奇数个错误，并能部 分检测出偶数个错误

31、（成对交换错则检测不出） F特点 简单，适应于对字母或符号进行编码。 但不适合传输信源来的二进制数字序列。 2.4 差错控制编码差错控制编码 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理 2.1 数字通信系统概述 2.2 模拟信号数字化 2.3 时分复用技术 2.4 差错控制编码 2.5 数字信号的基带传输 2.6 数字信号的频带传输 2.7 数字系统同步技术 2.5 数字信号的基带传输 数字信号的传输分为两种形式： F数字信号基带传输基带传输：是指不使用调制和解调装置而 直接传输数字基带信号的系统； F数字信号频带传输频带传输：包括了调制和解调过程的传输 系统称为频带传输系统。 F数字基带传输系统

32、 n信道信号形成器用来产生适合于信道传输的基带信号； n信道可以是允许基带信号通过的媒质； n接收滤波器是用来接收信号和尽可能排除信道噪声和其他干扰的； n抽样判决器则是在噪声背景下用来判定与再生基带信号。 信道信号 形成器信道 接收 滤波器 抽样 判决器 基带脉冲 输入 干扰 基带脉冲 输出 图2-20 基带传输系统的基本结构 2.5 数字信号的基带传输 F 数字频带传输系统 n 简单说，包括了调制和解调过程的传输系统称为频带传输系统。 调制器 基带脉冲输入 信道解调器 干扰 基带脉冲输出 2.5 数字信号的基带传输 图2-21 频带传输系统的基本结构 2.5.1 数字基带信号及其频谱特性数

33、字基带信号及其频谱特性 1数字基带信号 所谓数字基带信号（简称基带信号），就是消息代码的 电波形。 F基带脉冲波形的选择：对所选码型的电波形要求，期望电 波形适宜于在信道中传输。 F根据实际需要，组成基带信号的单个码元波形可以是矩形， 升余弦形，高斯形以及半余弦脉冲等多种。 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 F几种最基本的基带信号码波形（以矩形为例） n 单极性NRZ（Non Return Zero）码、双极性（BNRZ）码、单极性归 零（RZ）码、双极性归零（BRZ）码、差分码、多电平码。 +E 0 0001111 （a）单极性波形 +E -E 0001111 （b）双极性波形

34、+E 0 0001111 （c）单极性归零波形 +E -E 0001111 （d）双极性归零波形 +E -E 000111 1 （e）差分波形 1 +E -E 01 （f）多电平波形 +3E -3E 0101 00 11 10 11 00 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 图2-22 几种最基本的基带信号波形 2、基带信号的时域表示（二进制） 若an表示第n个信息符号对应的电平值（0、1或-1、1）， 对应二进制符号的“0”， 对应“1”，码元间隔 为 ，则数字基带信号可表示为： s T ( )() ns n s tagtn T )( 1 tg)( 2 tg 2.5 数字信号的基带

35、传输数字信号的基带传输 1 2 ()0 () ()1 s s s g tnT g tnT g tnT ，出现符号“ ”时 ，出现符号“”时 式中， 为 的稳态波，它是以 为周期的周 期信号； 为 的交变波，它是随机信号。 3、基带信号的频谱特性 数字基带随机脉冲序列又可表示为： s T ( )()( )( ) ns n s ta g tnTu tv t )(tu )(ts)(tv 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 )(ts u(t) t g2(t) t -Ts/2 Ts/2 g1(t) t -Ts/2Ts/2 V(t) t s(t) 1 0 0 1 0 1 1 t 2.5 数字信号

36、的基带传输数字信号的基带传输 图2-23 基带信号的时域表示（二进制） 3、基带信号的频谱特性 F随机脉冲序列的功率谱密度可能包括两个部分：连续谱（由交变波连续谱（由交变波 形成）和离散谱（由稳态波形成形成）和离散谱（由稳态波形成 ）。）。 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 (f) Ps() 0 s T 1 s T 2 s T 1 s T 2 1 2 1 2 双极性波形 单极性波形 双极性 归零波形 单极性 归零波形 信号带宽 1 图2-24 几种典型数字基带信号的频谱图 2.5.2 基带传输的常用码型 最典型的波形通常是“单极性不归零码”。 这种单极性信号含有直流分量和丰富的低频

37、分量，对传 输信道的直流和低频特性要求较高。 一般信道中往往存在隔直流电容或耦合变压器，使直流 分量不能通过，且高频分量的衰减随传输距离的增加而增大。 因此，必须经过码型变换码型变换，变为适于信道传输的信道码信道码。 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 F基带信号传输码型的选取原则 n传输的码型不应含有直流分量，且低频成分和过高的频 率成分也不易太多（通过分析频谱图即可看出信号含有 的频率成分） n 为使收发同步，传输的码型中应含有时钟信息 n 传输的码型与信息源的统计特性无关 n 传输码应具有一定的检错、纠错能力 n 码型的转换设备应简单易于实现 2.5 数字信号的基带传输数字信号

38、的基带传输 F常用的传输码型有： 传号交替反转码（AMI码） 三阶高密度双极性码（HDB3码） 传号反转码（CMI码） 曼彻斯特码（又称分相码、数字双相码） 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 1、AMI码（传号交替反转码） 编码规则：代码编码规则：代码0 0（空号）仍变换为传输码的（空号）仍变换为传输码的0 0，而把代码中，而把代码中 的的1 1（传号）交替变换成传输码的（传号）交替变换成传输码的+1+1、-1-1、+1+1、-1-1、。 举例： 消息代码： 1 0 0 1 1 0 0 0 1 1 1 AMI码：1 0 0 l 1 0 0 0 -1 +1 -1 2.5 数字信号的基

39、带传输数字信号的基带传输 1 0 0 1 1 1、AMI码（传号交替反转码） 它为三电平序列（三元码），伪三进制，1B/1T码。 优点：（1）无直流成分，且只有很小的低频成分； （2）整流后即为RZ码。 缺点：连0码多时，不利于提取高质量的位同步信号。 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 2、 HDB3码（三阶高密度双极性码） F编码规则：HDB3码是在AMI码基础上加以改进的 码型，当AMI码没有出现4个或4个以上的连0码时， 仍按AMI码编码。 当出现4个连0码时，要将4个连0码“0000”以取 代节“000V”或“B00V”取代。 V码和B码都是+1码或-1码； 2.5 数字信

40、号的基带传输数字信号的基带传输 2、 HDB3码（三阶高密度双极性码） 取代节的安排原则如下： V码的插入不应使传输码流产生附加的直流成分，为此，规 定V码之间应满足极性交替反转的要求。 为了在接收端识别出V码，以便将其恢复成原来的0码，规 定V码应与前一位相邻的1码保持同极性。 为使上述两条件满足，取代节的选取原则是： 两个相邻V码之间，1码的个数为奇数时，选用“000V”； 两个相邻V码之间，1码的个数为偶数时，选用“B00V”； 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 HDBHDB3 3码编码举例码编码举例 例1：代码： 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 1 1 0 0 0

41、0 1 1 AMI码： -1 0 0 0 0 +1 0 0 0 0 ll 0 0 0 0 -1 +1 HDB3码： -1 0 0 0 -V +1 0 0 0+V -1l -B-B 0 0-V-V1 -1 例2： 1 0 0 0 0 0 1 1 0 0 0 0 1 0 0 0 0 0 HDB3： 1 0 0 0 V 0 -1 1 B 0 0 V 1 0 0 0 V 0 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 F译码规则：每一个破坏符号V总是与前一非0符号同极性（包 括B在内）。从收到的符号序列中可以容易地找到破坏点V，于 是也断定V符号及其前面的3个符号必是连0符号，从而恢复4个 连0码，

42、再将所有-1变成+1后便得到原消息代码。 F特点： 保留了AMI码的优点，克服了AMI连0多的缺点，这对于定时 信号的恢复是十分有利的。 它是 一、二、三次群的接口码型，是CCITT推荐使用的码型 之一。 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 3、传号反转码（CMI） CMI码是把普通二进制码序列中的0码变换为 01，而把1码交替变为00和11。 特点： 有较多的电平跃变，因此含有丰富的定时信息； 该码被CCITT推荐为PCM四次群的接口码型； 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 4、曼彻斯特码 曼彻斯特码，又称为双相码，其变换规则是把普通二 进制序列码中的“1”码变换为10

43、，把“0”变为01。 特点： 能提供足够的定时； 无直流漂移； 编码过程简单； 带宽要宽些； 2.5 数字信号的基带传输数字信号的基带传输 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理 2.1 数字通信系统概述 2.2 模拟信号数字化 2.3 时分复用技术 2.4 差错控制编码 2.5 数字信号的基带传输 2.6 数字信号的频带传输 2.7 数字系统同步技术 由于从消息变换过来的原始信号具有频率较低的频谱 分量，这种信号在许多信道中不适宜直接进行传输。因此 ，在通信系统的发送端需要有调制调制过程，而在接收端需要 有解调解调过程。-频带传输系统 调制器信道解调器 干扰 图2-25 频带传输系统 2.6

44、 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 2.6.1 调制/解调的定义 按调制信号（基带信号）调制信号（基带信号）的变化规律去改变高频载波高频载波 某些参数的过程。 一般常采用正弦信号作为载波； 根据改变正弦信号的参数A、f、之一，调制分为调幅、调幅、 调频和调相；调频和调相； 根据调制信号取值连续或离散调制信号取值连续或离散，调制分为模拟调制或数字模拟调制或数字 调制调制； 解调：在接收端和“调制”相反的过程，即从已调信 号中恢复原基带信号的过程。 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 2.6.1 调制/解调的定义 F完成调制与解调任务的设备称为调制解调器（Modem）。 F频带传输的

45、目的： 将基带调制信号变换成适合在信道中传输的已调信号； 实现信道的多路复用； 改善系统的抗噪声性能； 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 2.6.2 模拟幅度调制 模拟调制是指基带信号的取值是连续的（模拟信号） ，而幅度调制是指高频正弦载波的幅度随基带信号作线性 变化的过程。 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 图2-26 模拟幅度调制解调示意图 其波形和频谱如下所示： 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 图2-27 模拟幅度调制波形和频谱示意图 调制的优点： 通过调制，可以进行频谱搬移，即把调制信号的频谱搬移到 所希望的位置上，例如移动通信。 通过调制，将基带

46、信号转换成适合于信道传输或便于信道多 路复用的已调信号，例如频分复用（频分复用（FDM）。 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 图2-28 频分复用信号的频谱结构 FDM的优缺点： FDM最大的优点是信道复用率高、复用路数多、分路方便（ 在接收端利用相应的带通滤波器可恢复各路调制信号）； 其主要缺点是设备复杂、且因滤波器特性不够理想和信道内 存在非线性而产生路间干扰。 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 2.6.2 数字调制 数字调制是指基带信号的取值是离散的（数字 信号），即用载波信号的某些离散状态来表征所传 送的信息，在接收端只需对载波信号的离散调制参 量进行检测就可以

47、实现信号的解调。 二进制数字调制有振幅键控（ASK）、移频键 控（FSK）和移相键控（PSK）三种基本形式。 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 1、2ASK（二进制振幅键控） 用待传递的数字信号（两种状态）改变载波的幅度。 （1）实现 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 BPF cosct s(t) e0(t) 载波 开关电路 s(t) e0(t)K 图2-29 2ASK信号的产生 （左图：模拟幅度调制方法；右图：数字键控方法） 由于其中一个信号状态始终为零，相当于断开状 态，故2ASK信号又称为通断键控（OOK）信号。 1、2ASK（二进制振幅键控） （2）波形示例 2

48、.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 s(t) e0(t) 1 0 0 1 1、2ASK（二进制振幅键控） （3）解调-相干方式解调 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 BPF LPF抽样判决 定时脉冲Cos(ct) 输出输入 图2-30 2ASK信号相干方式解调器 6.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 2、2FSK（二进制频移键控） 用待传递的数字信号（两种状态）改变载波的频率， 即用两种不同频率的载波分别代表数字信号“1”和“0” 。 （1）实现 f1 载波 开关电路 s(t) e0(t) K f2 载波 图2-31 2FSK信号的产生（键控法） 6.2 二进制数字

49、调制原理二进制数字调制原理 2、2FSK（二进制频移键控） （2）波形示例 s(t) e0(t) 1 0 0 1 其中：0符号对应于载频1，1符号对应于载频2，而且1和 2之间的改变是瞬间完成的。 例：2FSK信号的波形及分解。 Ts f2f2f1f1f1 t (a) f1f1f1 t (b) f2f2 t (c) 6.2 二进制数字调制原理二进制数字调制原理 2、2FSK（二进制频移键控） （3）解调-相干方式 图2-32 2FSK信号相干方式解调器 BPF LPF 抽样 判决 定时脉冲 cos1t 输出 输入 BPF LPF cos2t 3、2PSK和2DPSK （1）2PSK（二进制绝对

50、相移键控） 用待传递的数字信号（两种状态）改变载波的初相角。 1）实现 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 BPF cosct s(t) e0(t) 电平变换 双极性不 归零信号 单极性不 归零信号 图2-33（a） 2PSK信号模拟调制法框图 3、2PSK和2DPSK （1）2PSK（二进制绝对相移键控） 用待传递的数字信号（两种状态）改变载波的初相角。 1）实现 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 图2-33（b） 2PSK信号键控法框图 载波 开关电路 s(t) e0(t) K 移相 0 3、2PSK和2DPSK （1）2PSK（二进制绝对相移键控） 2）波形示例 2

51、.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 这种以载波的不同相位直接表示相应数字信息的相位键 控，通常称为绝对移相绝对移相方式； 由于在发送端是以某一个相位作基准的，因而在接收系 统中也必须有一个固定的基准相位作参考；若参考相位发生 随机跳变（从00变成1800），则必然导致接收错误，此即 2PSK信号的“反向工作”现象； 为避免2PSK信号的“反向工作”现象，特引入“相对相对 移相移相”方式2DPSK信号。 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 3、2PSK和2DPSK （2）2DPSK（二进制相对相移键控） 2DPSK信号是利用前后相邻码元的相对载波相位值表 示二进制数字信号。 ”

52、数字信息“ ”数字信息“ ，令对于 ”数字信息“相 ”数字信息“相 ，令对于 1 00 2 1 00 2 DPSK PSK 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 由此可见，2DPSK信号表示相应的数字信息，并不 依赖于某一固定的参考相位，只要前后相邻码元的相对 相位关系不被破坏，就不会造成错误接收； 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 3、2PSK和2DPSK （2）2DPSK（二进制相对相移键控） 1）实现 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 载波 开关电路 s(t) e0(t) K 移相 0 码变换 图2-34 2DPSK信号键控法框图 2）2PSK和2DPSK

53、信号的相干解调 2.6 数字信号的频带传输数字信号的频带传输 图2-35 2PSK信号相干解调器（极性比较法） BPF LPF 抽样判决 定时脉冲 cosct 输出输入 鉴相器 鉴相器 BPF LPF 抽样 判决 定时脉冲 cosct 输出输入 码反变 换器 图2-36 2DPSK信号相干解调器（极性比较法） 第二章第二章 数字传输原理数字传输原理 2.1 数字通信系统概述 2.2 模拟信号数字化 2.3 时分复用技术 2.4 差错控制编码 2.5 数字信号的基带传输 2.6 数字信号的频带传输 2.7 数字系统同步技术 2.7 数字系统数字系统同步技术 同步是数字通信的基本要求之一。如果收端

54、和发 端不能很好的同步，数字通信是无法进行的。 数字通信中，同步主要包括载波同步、位同步载波同步、位同步、 帧同步帧同步和网同步网同步。 按照获取和传输同步信息的方式分为： 外同步法外同步法 由发送端发送专门的同步信息（常被称为导频）；接收 端把这个导频提取出来，作为同步信号的方法。（一般用 于帧同步） 自同步法自同步法 发送端不发送专门的同步信息，接收端设法从收到的信 号中提取同步信息的方法。（多用于载波同步和位同步） 2.7 数字系统数字系统同步技术 2.7.1 载波同步 F当采用相干解调时，接收端需要提供一个与发射端调制载 波同频同相同频同相的相干载波。 F这个相干载波的获取就称为载波提

55、取或载波同步。 F提取载波的方法： 插入导频法：在发送有用信号的同时，在适当的频率位置上，插入一 个或多个称为导频的正弦波，接收端就由导频提取出载波。 直接法：不专门发送导频，而在接收端直接从发送信号中提取载波。 2.7 数字系统数字系统同步技术 2.7.2 位同步位同步 位（码元）同步：在接收端产生与接收码元的重复频率重复频率 和相位一致和相位一致的定时脉冲序列的过程；而称这个定时脉冲序列 为码元同步脉冲或位同步脉冲。如图2-37所示。 F 所谓同频，就是要求发送端发送了多少个码元，接收端必须 产生同样多的判决脉冲，既不多一个，也不少一个。 F所谓同相，即判决脉冲应该对准码元的中心，此时对码元的 正确识别率最高。 2.7 数字系统数字系统同步技术 图2-37 位同步示意图 2.7 数字系统数字系统同步技术 实现位同步的方法很多，现在最常用的方 法是接收端直接从接收到的信码流中提取时钟接收端直接从接收到的信码流中提取时钟 信号信号，作为接收端的时钟基准